定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用.pdf

第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 基金项目:中国石油长城钻探工程有限公司十四五重点科研项目“钻完井新工具、新工艺攻关与试验”编号:GWDC202101-06(01)。作者简介:徐涛(1985-),高级工程师,中国石油集团青年科技人才,2011 年毕业于西南石油大学机械设计及理论专业,现从事钻完井新工具、新工艺的设计研发工作。地址:(124010)辽宁省盘锦市,电话:[phone],E-mail:284623673 钻井工艺定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用徐 涛,效世杰,白冬青,石 林,焦 杨,刘平全,吕 楠中国石油长城钻探工程有限公司工程技术研究院 摘 要:旋转导向工具由于尺寸大,在钻井过程中井壁不稳定时容易发生卡钻、埋钻等复杂故障,处理难度大,现场应用受到一定限制。针对这种情况,文章研究了一种适用于定向钻进过程中的电控式扭矩离合控制工具。该工具在定向过程中可以将下部钻具与上部钻具的扭矩进行分离,实现上部钻具随钻盘低转速旋转送钻,下部钻具与螺杆工具配合滑动定向钻进。该工具由两部分组成:地面信号下传单元和井下信号接收及离合控制单元。井下信号接收及离合控制单元安放在近钻头位置,地面信号下传单元通过钻井液将信号传递到井下,离合控制单元接收指令后,用电液控制方式执行钻柱扭矩分离与结合动作。该工具使用的关键点是安放位置和反扭矩的控制,通过对下部钻具摩阻扭矩的分析,运用 Landmark 软件计算工具安放位置,抗反扭矩工具可抵抗并吸收螺杆钻具的反扭矩。现场应用表明,该系统可有效缓解托压,降摩减阻,稳定工具面,提高钻压传递效率,较大幅度提高机械钻速,实现低成本代替旋转导向工具,具有广阔应用前景。关键词:定向钻进;近全程旋转控制;电控式;离合控制单元;缓解托压;降摩减阻DOI:10.3969/J.ISSN.1006-768X.2023.03.01引用格式:徐涛,效世杰,白冬青,等.定向钻井电控式扭矩离合控制工具研制与应用J.钻采工艺,2023,46(3):43-48XU Tao,XIAO Shijie,SHI Lianhai,et al.Research and Application of ElectricallyControlled Torque Clutch Control Tool for Directional DrillingJ.Drilling and Production Technology,2023,46(3):43-48Research and Application of Electrically Controlled Torque Clutch Control Tool for Directional Drilling XU Tao,XIAO Shijie,BAI Dongqing,SHI Lin,JIAO Yang,LIU Pingquan,LV NanEngineering Technology Research Institute,CNPC Great Wall Drilling Company,Panjin,Liaoning 124010,ChinaAbstract:At present,due to the large size of the rotary steerable tool,complex situations such as drill sticking are prone to occur,and its field application is limited to a certain extent.This paper innovatively proposes an e-lectronically controlled torque clutch control tool suitable for directional drilling,which separates the torque of the lower drilling tool from the upper drilling tool during directional operation,and realizes that the upper drill tool rotates with the low speed of the rotatory table to bit feed,and the bottom drill tool and the screw are combined with sliding directional drilling.The control system consists of two parts:surface signal transmission unit,down-hole signal receiving and clutch control unit,which is placed near the drill bit.The surface unit transmits the sig-nal to the well through the drilling fluid,when the downhole unit receives the command,the electro-hydraulic control method is used to perform the torque separation and combination actions of the drill string.The key point of this technology is the control of tool placement position and reaction torque.Through the three-dimensional a-nalysis of the frictional torque of the lower drilling tool,the tool placement position is calculated by Landmark software,and the anti-torsion joint is connected to resist and absorb the reaction torque of the screw drilling tool.Field application shows that this technology can relieve back pressure,reduce friction and drag,improve bit pres-sure transmission efficiency,stabilize tool face,greatly increase ROP,realize the low-cost replacement of rotary 34 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023steering tool,and has broad application prospects.Key words:directional drilling;near full rotation control;electric control type;clutch control unit;reduce backing pressure;reduce friction and drag0 引言在大位移井、水平井中,采用螺杆钻具定向滑动钻井时由于井下摩阻扭矩大易引起托压,钻压不能有效传递至钻头,定向钻进困难1;旋转导向工具在井壁不稳定的地层中钻进时存在卡钻、埋钻风险,对井下工况要求严格2,且使用成本高;顶驱扭摆技术的降摩阻效果随着井深增加而不断衰减3。操作方便、工程风险较低、价格低廉的替代工具被期待。近几年,结合滑动导向工具和旋转导向工具的优缺点,国内外兴起了半程旋导类工具的前沿技术公关。加拿大 CT energy 公司开发的纯机械式液力离合器,即 Hydro Clutch 工具 4,通过转盘转速和钻井液排量来控制钻柱扭矩的离合,但工具本身存在 5 7 MPa 的压耗,接入该工具将导致循环总泵压偏高,现场无法接受,因此应用受到一定程度限制。国内半程旋导技术处于研发阶段,西南石油大学进行了初步理论分析研究、样机研制和室内试验5;2020 年以来各油田公司及钻探公司先后开展了 Hydro Clutch 类的离合工具的研制。本文提出了一种电控式扭矩离合控制工具,采用旋转导向式的信号下传与接收方式,用电液控制技术实现井下扭矩的离合。与 CT energy 公司开发的纯机械式 Hydro Clutch 工具相比,自动化程度高,操作简单,工具本身无压耗,可与常规动力钻具、MWD/LWD等配合使用。该工具与旋转导向相比,具有良好的经济性和实用性,适用于国内常规导向钻井市场。1 钻柱近全程旋转控制技术1.1 技术原理该工具由两个部分构成:地面信号下传单元、井下信号接收及离合控制单元,如图 1 所示。将信号接收及离合控制单元安装在螺杆上端一定距离处,采用钻井液分流式信号下传,地面发出一组一定时间间隔的流量负脉冲信号,下传至井下接收及控制离合单元,井下仪器接收流量及转子转速变化信号后,用电液控制技术实现井下扭矩的离合,离合状态可随时发送信号切换。扭矩离合的工作状态可通过转盘前后扭矩的变化和 MWD 工具面进行综合判断。图 1 钻柱扭矩离合式轨迹控制技术原理图1.2 地面信号下传单元地面信号下传单元由上位机、信号下传装置、高压管线等组成。信号下传单元采用流量下传。信号下传装置经由高压管线安装在立管处,通过装置内的分流阀规律性对入井泥浆进行分流,向井下传输一串钻井液负脉冲信号。1.3 井下信号接收及控制离合单元井下接收及控制单元由信号接收总成和离合执行机构组成。信号接收总成接收到地面钻井液传递的指令后,驱动离合执行机构实现扭矩的分开与接合。当井眼轨迹需要定向滑动钻进时,地面发出分开指令,井下接收及控制单元控制钻柱处于上下扭矩分离状态,如图 2(a)所示,通过控制转盘低转速旋转,观察转盘扭矩,小钻压送钻,观察工具面是否稳定。若工具面稳定,证明钻柱扭矩离合工具处于离开状态则可逐渐提高钻压、开钻盘旋转钻柱进行定向钻进。定向作业完成后,地面发送一组钻井液负脉冲信号,井下扭矩离合工具执行啮合动作,钻柱处于上下一体状态,钻柱进行全程旋转复合钻进,如图 2(b)所示。2 关键技术研究2.1 信号下传与接收技术借鉴旋转导向信号下传方式,采用气动分流器通过三通规律性分流钻井液,如图 3 所示,将信号下传至井下电液控单元,电液控单元设有转子组件,根据涡轮转速变化实现信号的接收,如图 4 所示。同时,借鉴 MWD 测斜仪器的唤醒信号下传模式,通过一组一定时间间隔的变流量信号,将信号下传至井下电控单元。44第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 图 2 钻柱扭矩离合式轨迹控制技术工艺流程图图 3 分流器实物图图 4 转子组件结构图2.2 反扭矩控制方法当扭矩离合工具处于离开状态时,上下钻柱扭矩分离,有效平衡井下动力钻具的反扭矩是工具正常应用的关键。目前,一种方法是通过近钻头端的一定长度的管柱(如 300 m 钻柱)与井壁间的摩擦扭矩来抵抗反扭矩6,但该方法要求离合工具放在距离钻头较远处,影响工具的使用效果。另一种方法是在扭矩离合工具下端设置防扭短接,短接可伸出支撑臂或活塞爪嵌入井壁来增加周向阻尼,防止下部钻柱旋转,该方法的缺点是活塞爪虽能最大限度防止钻柱旋转,但增加了送钻阻力,不利于钻压的传递。本文创新提出通过机构吸收螺杆钻具突增的反扭矩,与开启式抗反扭矩工具提供的摩擦扭矩叠加起来共同作用来克服螺杆反扭矩。2.2.1 开启式抗反扭工具在离合机构分离状态下,该工具通过开启压差反馈装置,利用工具内与环空压差,推动支撑臂的伸出,支撑井壁克服螺杆反扭距。支撑臂带有滚柱结构,可减小送钻阻力,扭矩输出值可通过泵压进行调整。开启式抗反扭矩工具实物如图 5 所示。图 5 开启式抗反扭矩工具实物图2.2.2 反扭矩吸收机构在钻压突然增大时,螺杆钻具的反扭矩会陡增并沿钻柱向上传递,反扭矩吸收机构将这部分扭矩吸收并转换成直线动量,并将动量储存在碟簧内。反扭矩吸收机构主要由吸扭外筒、密封组、中心筒、碟簧组、下接头组成。下接头本体设置六头斜向外螺纹,如图6(a),螺纹牙型进行了特殊加宽。保证下接头和吸扭外筒进行螺纹配合且存在一定轴向和径向活动量,如图 6(b)所示,可持续吸收波动反扭矩,达到缓冲减震、稳定工具面的目的。图 6 反扭矩吸收机构结构示意图3 工具安放位置分析3.1 钻具摩阻扭矩计算方法从某种意义上说,钻柱近全程旋转控制技术是顶驱钻柱扭摆技术的一个延伸技术。可通过顶驱钻柱扭摆技术工艺研究整个管柱的作用状态,如图 7,管柱状态分为三个作用区,即上部顶驱扭摆作用区,中部钻柱不旋转区和下部螺杆反扭矩作用区。当扭摆启动时钻柱扭矩趋势从井口沿钻柱向下递减,最终传递到 A 点,A 点管柱周向处于静止状态,称为扭摆前沿。在水平段定向钻进时,螺杆钻具带动钻头切削岩石产生的反扭矩沿底部钻具向地面传递至 B 点,B 点管柱54 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 2023周向处于静止状态,B 点处反扭矩为零。理论上 A 点和 B 点是钻柱扭矩为 0 的临界点7。由此可知,扭摆工艺是顶驱带动钻杆以一定圈数规律性的正转和反转,达到活动钻具实现降摩减阻。同时,用钻头以上一定长度的钻柱的静摩擦扭矩来平衡螺杆钻具的反扭矩,保持井下工具面的稳定。图 7 顶驱钻柱扭摆技术的管柱扭矩作用区分布图同理,扭矩离合工具的安放位置取决于工具在离开状态下平衡螺杆钻具反扭矩的最短管柱长度,即扭矩离合工具应安装在图 7 中的 B 点以上的位置。所以首先需计算平衡螺杆反扭矩的管柱长度。反扭矩的平衡计算标准如式(1),即螺杆钻具反扭矩 Mr来源于螺杆驱动钻头破岩扭矩 MP的反作用扭矩,两者大小相等。MF为水平段管柱串与井壁之间的摩阻扭矩。只有当 MF大于 MP之时,管柱的摩擦扭矩才足以抵抗螺杆的反扭矩,达到稳定工具面的目的。要明确钻柱扭矩离合工具的安放位置需知道平衡螺杆反扭矩所需的钻具长度,所以需对工具下部钻具的摩阻扭矩进行分析计算,Mr=MPMF=fcr(1)式中:MP钻头破岩扭矩,Nm;MF反扭矩(与 MP大小相等,方向相反),Nm;fc管柱周向摩阻,N;r钻柱半径,m。本文基于全井钻柱系统动力学的动态摩阻扭矩计算新方法8-12,对井眼轨迹进行三维描述建立井眼模型13-15,如图 8。H=Lcosvsin(/2)/2(2)S=Lsinvsin(/2)/2(3)E=L2cos(v-v)sin(-)/2(-)/2-L2cos(v+v)sin(+)/2(+)/2(4)N=L2sin(v-v)sin(-)/2(-)/2-L2sin(v+v)sin(+)/2(+)/2(5)式中:vAB 点间平均井斜角,(),v=(A+B)/2;vAB 点间平均方位角,(),v=(A+B)/2;HAB 点间垂深度化,m;SAB 点间水平位移变化,m;EAB 点间东向位移变化,m;NAB 点间北向位移变化,m;AB 点间井斜变化,(),=B-A;AB 点间方位变化,(),=B-A;LAB 点间井距,m。图 8 空间直角坐标系和曲线坐标系通过该公式可计算出细分的井眼曲率、北向位移、东向位移、垂深和水平位移,进一步详细的描述井眼轨迹的细节。为计算工具下部钻具的摩擦扭矩分布,考虑将钻柱划分为若干单元管柱,进行井眼单元管柱的两端扭矩计算:Mi-1=Mi-FnLiDi/2(6)式中:Mi-1和 Mi第 i 段单元管柱上端和下端的扭矩,Nm;井眼与管柱的摩擦系数,无因次;Dii段管柱单元外径,m;Fn三维井眼中一个管柱单元的总侧向力,N。当从钻头到计算节点的摩擦扭矩 Mi-1Md=0 时,测点 i-1 到钻头的距离即工具距离钻头的最小安放距离。3.2 工具安放位置实例计算W2-75X 井是一口页岩气水平井,完钻测深 5 008 m,水平段长度 1 508 m。井斜角为 88,方位角为172.86,钻井液密度 2.05 g/cm3。图 9 为随钻参数测量仪实测的螺杆上端扭矩,在3 966 4 040 m 滑 动 钻 进,螺 杆 扭 矩 均 值 为 6 kNm,螺杆的制动扭矩取10 kNm,文章以 10 kNm的极限扭矩作为工具安放位置的参考标准。取安全系数 1.3,结果如表 1 所示。综上,工具安装范围为距离钻头 210405 m 之间。64第 46 卷 第 3 期Vol.46 No.3钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY 图 9 W2-75X 井随钻取样井下螺杆上端扭矩井深散点图表 1 W2-75X 井工具推荐安装位置表水平井段/m井斜角/()螺杆钻具反扭矩/(kNm)安全系数推荐安装位置3 5085 008.99886(实测扭矩)10(制动扭矩)1.3离螺杆钻具定子下端面以上 210 m 处离螺杆钻具定子下端面以上 405 m 处 实钻作业过程中螺杆反扭矩是随工况发生变化的,通过 Landmark 软件计算得出水平段工具安装位置与螺杆反扭矩大小的关系如表 2 所示。表 2 工具安放位置与螺杆反扭矩关系表螺杆反扭矩/(kNm)平衡段钻柱长度/m建议工具安放位置/m4607851001306145189720026082303009275358103104034 现场应用该工具已在辽河油田进行了 4 井次现场应用。工具总入井时间 509 h,总进尺 2 019 m,共进行了 14次离合动作,动作执行成功率 100%。现场应用表明:钻柱近全旋转控制工具机械强度、耐压耐温性能满足井下施工要求。地面信号下传系统正常,井下信号接收单元正常,井下扭矩离合动作执行正常,机械钻速相比常规滑动定向钻进有大幅提高,同时降摩减阻效果明显,携岩能力有所提升。N-XX-4 为一口二开水平井,工具在钻深 2 990 m时下入,安放在距钻头 150 m 处,进尺 687 m 后起出,在应用井段进行 4 次扭矩离开,4 次扭矩合上动作。扭矩离开时,转盘以 3035 r/min 转速转动,24 t 小钻压送钻,泵压 2025 MPa,排量 29.533 L/s,现场应用显示,当扭矩离开后工具面平稳。现场应用数据如表 3 所示,当扭矩分离后,工具面持续保持平稳,未出现工具面突变情况,常规滑动定向钻进期间钻时均值在 8.70 min/m 左右,而应用了钻柱扭矩离合轨迹控制技术后,钻进钻时均值为 4.68 min/m,钻时缩短46%以上,显著提高了机械钻速,对井斜和造斜率无影响。工具井下状态可通过实时上返的工具面和井口转盘扭矩进行综合判断。表 3 钻进参数对比表工况井深/m井斜/()钻压/t泵压/MPa排量/(Ls-1)钻井液密度/(gcm-3)钻时/(minm-1)复合钻进3 015.00105.809.222.424.33 1.513.30测斜3 015.00105.804.722.424.33 1.5-摆工具面3 015.0087.00-21.624.33 1.5-近全旋转钻进3 015.1087.804.514.024.33 1.54.68近全旋转钻进3 015.2087.804.514.224.33 1.54.68近全旋转钻进3 018.0087.804.520.824.33 1.54.68复合钻进3 018.48-9.320.724.17 1.513.30测斜3 018.4816.624.722.424.33 1.5-常规定向钻3 020.3316.624.722.424.33 1.58.7074 钻 采 工 艺DRILLING&PRODUCTION TECHNOLOGY2023 年 5 月May 20235 结论与认识(1)本文所述钻柱近全旋转控制技术是采用电控方式在井下实现钻柱的扭矩分离与结合的技术,该技术满足钻井降摩减阻、缓解托压的迫切需求,可替代旋转导向,提高常规导向钻井在长水平段水平井以及大位移井水平段的延伸能力。(2)螺杆钻具反扭矩的控制是该技术应用的关键点。为此提出了两种抗反扭技术方案,建立了管柱摩阻和扭矩分析模型。通过多井次实例计算,对工具的合理安放位置给出指导意见。(3)现场应用验证了钻柱近全旋转控制技术的可行性,填补了该领域现场应用的技术空白,该技术适用于国内常规定向钻井市场,具备广阔应用前景。参 考 文 献1骆新颖.长宁威远区块页岩气水平井提速技术研究D.成都:西南石油大学,2017.LUO Xinying.Research on speed raising technology of 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